红外热成像技术研究进展*

顾　轩　何问慎　陆倩映　刘亚民　肖景红

(佛山出入境检验检疫局　广东 佛山　528000)



红外热成像技术研究进展*

顾轩何问慎陆倩映刘亚民肖景红

(佛山出入境检验检疫局广东 佛山528000)

摘要作为现代工业生产中广泛应用的材料，陶瓷在制作及使用过程中极易出现缺陷。这些缺陷如果不能被及时发现，将会对生产生活造成一定的困扰，严重时会造成灾难性后果。笔者通过对陶瓷存在的缺陷进行分析，继而对当前使用较为广泛的十二种无损检测技术一一进行分析；然后再对当下红外热成像技术研究以及使用的情况作一介绍，主要对其原理等进行了细致分析。

关键词陶瓷无损检测红外热成像技术

前言

陶瓷材料因其所具有的独特性能，不仅在工业生产中得到广泛的使用，而且日益成为现代材料的3个组要部分之一。可是，在制作以及使用陶瓷材料的过程中，或多或少都会因为各种主客观因素导致陶瓷材料存在诸多缺陷。这些缺陷的存在一方面影响了陶瓷材料的有效使用，使其性能无法全部展现出来，另一方面也导致了陶瓷材料难以有效推广使用，甚至还会造成灾难性的后果。在陶瓷工业，尤其是普通日用陶瓷以及建筑卫生陶瓷中，如果产品存在表面缺陷，会对产品的质量以及等级造成严重影响，也会给消费者造成不良后果。因此，有必要对陶瓷企业所生产的产品进行检测。可是，现代陶瓷工业逐渐实现了工业化，传统的肉眼观察以及敲击法不再适应大工业生产的需要。在这一背景下，一种新的检测方式——无损检测法应运而生。

无损检测是在损害材料以及成品的状态下完成对材料内部以及材料表现检测的手段。检测的内容是有无缺陷，检测的手段是当材料和制品存在缺陷或者异常的情况下，对声音、光源、电磁以及热能等的反映是不同于正常材料的。通过这种方式可以有效辨别材料的结构是否异常以及所存在的缺陷。之所以要使用无损检测，主要有三个目的：

1)加强产品质量的管理工作；

2)完成对产品质量的管理；

3)对工业生产设备的维护检测。

1　陶瓷材料的缺陷

对陶瓷材料进行的无损检测主要是用来检测是否存在缺陷及变形。因为陶瓷产品作为一种脆性材料，杨氏模量值一般都会稍高一些，所以只要有轻微的缺陷以及变形都会产生非常大的机械应力，从而导致陶瓷产品尤其是外表面遭到严重破坏。因此，笔者对陶瓷材料的无损检测主要集中在缺陷检测上面。相较于金属以及复合材料，对陶瓷进行缺陷检测时，所需要的尺寸往往小1～2个数量级。

按照不同的形成原因，将陶瓷缺陷主要分为以下三类：

1)制作过程中存在的缺陷。这类缺陷主要是指存在裂纹、表面落渣、气孔以及缩釉等。而这一类的缺陷主要是在制作过程中由于操作不当等导致的内部以及表面缺陷，尤以表面缺陷最为严重。因为这不仅导致了制品的物理化学以及机械性能发生变化，更会造成了陶瓷外观的严重质量问题。

2)机械加工以及处理过程中导致的缺陷。这些缺陷的具体表现主要是裂纹以及边角的缺失等。

3)使用以及保存环境导致的缺陷。这类缺陷的具体表现是裂纹类缺陷、内部气孔以及夹层等。而相较于前两类缺陷，这类缺陷是最常见的。

2　陶瓷材料的无损检测方法

通过对陶瓷材料无损检测方法的整体考察，无损检测方法可以分为传统检测法以及新型检测法。

2.1传统检测法

2.1.1超声波检测法

这一方法又称为UT检测法。是通过检测超声波反射后形成的波形图来检测陶瓷材料表面以及内部异常问题的方法。这类方法对于裂纹、分层的检测特别有效，但是对于100 μm以下的缺陷无能为力。

2.1.2射线检测

射线检测主要是采用X射线、中子射线、γ射线、β射线等进行检测。因为这几类射线具有较强的穿透力，将其用于对陶瓷的检测再合适不过。通过射线检测可以有效探测出陶瓷产品内部存在的诸如气孔、夹渣等体积型缺陷。但是射线检测效果不佳，一般需要配合其他检测手段来使用才能提高检测的精度。以使用最为广泛的X射线为例，一般可以测出750 μm的裂痕，熟练的工作人员可以检测出150 μm的缺陷。

2.1.3渗透检测

这一方法又叫作液体渗透检测法。这种检测方式使用历史非常久远，到目前仍在使用。这种检测方式主要是利用液体的表面张力对材料进行检测。首先将渗透液喷洒到陶瓷表面，陶瓷如果存在缺陷，渗透液就会残留在缺陷中；再喷洒显影液，这样就会使得渗透液从缺陷中洗出来，留下痕迹。这一方式主要用于陶瓷表面的开口性缺陷。同时，检测的精度也只能是150 μm。

2.2新型检测方法

随着科技的不断发展，将以上3种传统无损检测手段结合其他技术方式，便提升了无损检测的精度，也产生了新型的检测手段:

2.2.1计算机辅助超声检测

这一方式首先在日本得到广泛使用。其优点在于全部自动操作，无需人工；检测频率也完全由计算机来控制，检测精度可以达到50 μm左右。大大优化了超声波检测的精度。

2.2.2计算机辅助X射线断层摄影

将计算机技术与射线检测相结合也是目前较常使用的新型无损检测手段。这一手段最先在加拿大以及美国使用。加拿大公司通过Co90源γ射线CT系统，对ZrO2、SiC等高级陶瓷材料进行检测，可以精确到10 μm的缺陷以及密度分布的差异。而美国公司用Iγ192射线成功检测了5 μm的陶瓷裂纹。经过数年的发展，该技术已经开始在工业生产中使用，目前能够精确检测出30 μm的裂纹。但是，这一方法对于平面裂纹检测的灵敏度不够，又因为这一设备价格昂贵，不能够在工业生产中得到普遍使用。

2.2.3超声波显微镜法

通过使用频率在100～1 000 Hz的超声波并将其反射到陶瓷上面，然后对收集到的反射波加以分析，通过对其频率以及能量的衰减来完成对陶瓷的检测。这种检测可以达到1～10 μm的精度，但是，目前仅仅存在于实验室中，无法在工业生产中使用；同时，这种检测也只能完成对陶瓷表面的检测。这两个原因，也导致了其使用面不广。

2.2.4激光扫描超声波显微镜法

这一方法又被称为SLAM法，其主要方式就是通过使用非接触型传感器，把反射波变成可以肉眼观察的信息的方式。这一方式是对前面方法的改良以及提升。相较于超声波显微镜法，这一方法的优点在于可以实时观察。目前，其精度能够达到15 μm，除了可以完成表面检测外，还能够检测到气孔、点状平面的缺陷。但操作较复杂，大面积推广使用不可行。

2.2.5同步显微聚焦X射线透视

这一方法主要是通过视频探查设备代替底片来显示零部件的X射线成像。与其他几种新型手段相比较，这一方法也是传统无损检测手段结合现代技术得来的。其优点在于系统是同步进行的，即调整了X射线后，便立刻可以得到一个新的视图。操作也比较简单，只需要对发射源的电压进行改变即可完成检测。列痕的显示方式也大大得到了提高。但是，此方法仍旧存在不适应工业生产需要的问题。

2.2.6声发射

这一方法也被叫做AE法。一般我们知道，当物体尤其是固体发生变形或者断裂的时候都会产生一种弹力波，声发射技术就是通过检测这种弹性波来达到对陶瓷检测的。通过对陶瓷裂痕产生的微裂波的检测，可以确定裂痕的位置以及裂痕的面积，甚至连裂痕产生的时间等都可以检测出来。这种检测方法的精度可以达到1～5 μm。因此，这种技术非常被人们看好，但是这种检测手段仍然仅适用于实验室，无法大范围推广使用。

2.2.7表面声波技术

该技术在国外被称为SAW法。由于光具有波粒二象性，因此激光也就具有了波的特性。当激光束照射到陶瓷表面时，会发生反射现象。这时，通过技术对其产生的超声波进行检测便会确认是否存在于表面。因为波相较于光更易于观察，可以通过波的振幅位移的幅度来完成检测。当然，这种检测手段目前仅存在理论可能，实用性还有待验证。

2.2.8热波成像技术

陶瓷具有较好的导热性能，这一性能也可以被科学家用来完成对陶瓷的无损检测。具体操作：通过使用可调节光源对陶瓷表面进行加热，再通过各类物理手段来完成对陶瓷的非接触性温度测量。两次温度比较，即可发现是否存在缺陷。这方式目前已在使用，但使用范围并不广泛。其优点在于对于小裂痕有很好的敏感性。

2.2.9光学显微镜

该方法也被叫做光声成像法。这一方法也是前几种方法的变种。通过使用频率在10～100 Hz的激光对陶瓷表面进行扫描，陶瓷在激光照射下会产生一定的热量，而这种热量可以被微音器检测到。这样便完成了对陶瓷是否存在缺陷的检测。目前，此种方式并不常用。但有些实验室已经成功地完成了对氮化硅的检测，效果相当好。因此，人们对这一检测方法寄予厚望。

以上的各种检测方法，各有其优缺点。但都对陶瓷检测有着重大意义。相较于传统方式，新型检测手段检测精度更高，操作也更加简单，且能够检测到多种形式的缺陷，新型检测手段的使用却需要以传统检测手段为基础，在此基础之上结合其他技术才能够完成，这类检测往往需要花费很高的代价，多数还仅能够在实验室使用，无法满足大工业生产的需要。

3　红外热成像技术在无损检测中的应用概况

我国作为重要的陶瓷生产基地，每年通过陶瓷创造的效益非常可观，必须要找到一种适应工业化生产需要的无损检测手段。近些年，我国科学家以及各地实验室也在加强无损检测手段的研究，对这一领域也有着一定的研究成果。有些成果虽然并非专门为检测陶瓷产品而研发的，但是因其有良好的使用性能，也就可以借鉴到陶瓷的无损检测工作中来，正如笔者要介绍的红外热成像技术的无损检测技术。这一技术最先使用在电瓷绝缘性能的检测上面，目前开始有人研究其对陶瓷无损检测的应用中来。

红外热成像技术的全称是计算机辅助红外热像仪无损检测法，又可以被简化为红外无损检测或IRNDT法。最早的红外热成像技术是应用于军事当中，主要是当作瞄准技术来发展的，后来这一技术被应用于侦查、监视以及制导等方面。而在20世纪六七十年代这一技术开始用于商业用途。

第二次世界大战之后，美苏争霸使得红外热成像无损检测技术得到广泛的研究。20世纪60年代初，美国为解决固体火箭发动机界面脱粘的检测问题，从而开始对红外热成像技术进行研究。很快便将这一研究成果应用于固体火箭的发动机上面。同一时期，前苏联也开始了对该项技术的研究。从后期公布的材料来看，当时前苏联的研究主要集中在非金属材料与金属材料、金属与金属材料之间的焊接质量、蜂窝结构等的检测，这种技术有着优良的效果，也使得检测质量得以不断提升。其他西方国家对此技术研究也不甘示弱，纷纷在众多领域开展红外无损检测技术的研究。

而到了20世纪80年代，红外技术得到了广泛的使用。在诸多行业都可以看到红外检测技术的身影。如在飞机生产中，发动机的无损检测利用了红外温度记录技术，机翼结构的分析以及新型材料性能以及在飞机的使用上面等都应用到了结合计算机而使用的红外技术，这样对图像以及数据分析都得到了进一步提升。其他诸如建筑、采暖以及节能等领域也都开始广泛采用红外技术。欧洲的英国及法国在电网、太阳能技术以及核电设备等领域也开始广泛采用红外技术。而日本，除了在冶金炉的温度控制方面使用外，甚至将红外技术应用到医学领域。

我国使用红外无损检测技术的时间相较于其他国家也不晚，早在1968年便开始用红外技术检测金属胶接而成的核燃料棒的粘接质量和固体火箭发动机第一、二、三界面的脱粘。但是，直到改革开放之后，我国才开始掀起对红外无损检测技术研究的热潮。这也是导致我国在这一领域的落后原因。

当下，随着国际合作更加密切，我国对红外无损检测的研究已经到达世界先进行列，同时红外无损检测的实践应用也得到了长足发展。我国红外无损检测技术应用领域也是非常广泛的。除了应用于航空航天技术外，还应用于在红外测温、气体分析、火车热轴检测、医学诊断、热轧成形、工业质量控制等领域。

相较于其他无损检测手段，红外无损检测发展的时间也就短短数十年，而应用于实践当中的时间更短，但是这一技术却产生了极大的效果，对提升检测质量有着非常好的促进作用，也开始得到广泛使用。但是，随着物理学、光学等基础学科研究的不断深入，红外无损检测手段也需要不断地提升与发展。相较于其他已经成熟的技术， 红外无损检测还有待于深入研究。

4　红外热成像无损检测的基本原理及方法

普朗克定律是红外无损检测手段所应用到的基本物理规律。这是通过对陶瓷表面进行红外扫描，但由于缺陷以及材料的不同导致温度也不尽相同，而红外摄像仪则捕捉到这种物体表面温度的变化，通过电脑的处理，最后以图像的方式呈现出来的手段。由于计算机在这一过程中必不可少，因此被叫做计算机辅助红外检测。

红外热成像测温技术可以有效对材料的浅表层缺陷实现无损检测。具体的操作流程如图1所示。其工作原理则是通过对物体表面进行热激发，由于物体内部存在缺陷，导致热传递的过程也不均匀，通过记录热量在物体中的转移过程，便可完成对此物体的有效检测。物体内部的各种缺陷会使得物体热传递不均匀，而在缺陷区域会明显形成一个增加热阻。在忽略空气的热导率以及热阻后，缺陷区域热阻明显大于正常范围的热阻，导致缺陷区域的表面温度较正常区域温度降低。而通过计算机将此温度通过图像的形式表现出来，便可以看出缺陷的分布以及缺陷的类型。

图1红外热成像无损检测方框图

目前，关于红外热成像无损检测的方式研究以及使用状况的报道有很多。但是这一技术的使用仍有其限制条件。如，只能适用于层状结构以及表面发射率高且均衡的材料的检测中。这一条件也限制了红外热成像技术的使用范围。

5　结论

红外热成像无损检测技术相较于其他技术来说，有着检测精度高、范围广、检测迅速以及易于观察等优点。这些优点决定了红外热成像无损检测技术会受到人们的青睐。但是，作为一种新技术，最大的问题还在于能否适应工业化大生产的需要，虽然红外热成像无损检测技术有了长足的发展，但是离满足商业化需要还有一段距离。这中间需要科研工作者不断探索，也需要生产一线不断配合，从而使得该技术能够顺利地发展。

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*作者简介：顾轩(1988-)，本科，助理工程师；主要从事陶瓷砖性能检测及陶瓷检测设备改造工作。

中图分类号：TQ:174.5

文献标识码：B

文章编号：1002-2872(2016)07-0036-04